壓縮天然氣(CNG)氣瓶使用及安全分析

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壓縮天然氣(CNG)氣瓶使用及安全分析

摘要：隨著經濟社會的發展，壓縮天然氣氣瓶越來越多的被使用，由于壓縮天然氣氣瓶的特殊性，它的使用及安全性受到廣泛的關注和重視。本文從壓縮天然氣氣瓶的生產及使用等方面就其安全性進行闡述，以便壓縮天然氣氣瓶的使用安全可靠，促進壓縮天然氣汽車的發展。

　　關鍵字：壓縮天然氣氣瓶使用 安全

　　前言 隨著我國經濟的不斷發展，我國的汽車產量和汽車保有量在不斷增加，燃油供需矛盾以及汽車尾氣帶來的城市環境污染問題日益突出，因此，尋找替代能源，開發和發展替代石油的氣體燃料汽車對全世界乃至我國都是關系到社會經濟，尤其是支柱產業—汽車工業發展的重大戰略問題，因而積極探索和發展天然氣汽車是解決這些問題的一舉兩得的有力措施。其中，發展壓縮天然氣汽車技術是最為現實并且可行的。

　　天然氣作為一種優質車用燃料，不但價格低廉，運行經濟性好，而且發動機的排放污染小、噪聲低、磨損小、使用壽命長。因此，積極發展壓縮天然氣汽車的推廣運用能獲得較大的社會經濟和環境效益。

　　一、壓縮天然氣氣瓶的生產安全

　　壓縮天然氣氣瓶（CNG-1鋼質氣瓶、CNG-2鋼質內膽環向纏繞氣瓶）的生產目前主要采用兩種生產工藝進行，一種是沖拔成型，另一種是采用無縫鋼管旋壓封口封底成型，無論采用何種方式進行生產，整個生產過程中都應嚴格按照工藝要求進行生產加工，防止和杜絕有缺陷的產品流入市場使用。

　　對于這兩種成型生產方式，本文就其中的無縫鋼管旋壓成型進行說明，旋壓成型主要是對鋼管端部進行加熱，然后熱旋壓加工成型，因而產生的主要問題也在瓶體底部和口部，底部缺陷主要為底部夾雜、壁厚不足、或有微裂紋產生等缺陷，避免此類缺陷的產生主要為生產工藝的成熟，不斷改進封底生產工藝以達到最優，對底部缺陷的檢查主要為超聲波測厚儀以及超聲波探傷儀，由先進的檢測手段檢測瓶體底部，防止有缺陷問題的半成品流入下一工序，從源頭上控制產品質量，才能保證氣瓶的使用安全。口部缺陷主要為裂紋的產生，同樣與生產工藝的穩定性有著重要的聯系，因此，從生產工藝的改進和優化是提高產品使用安全的首要條件。

　　對氣瓶生產中關鍵工序的檢驗也是造就高質量產品的重要手段，如瓶體壁厚檢測、超聲波探傷、磁粉探傷、熱處理、水壓試驗、氣密性試驗以及疲勞試驗、爆破試驗等，嚴格做好每一工序的生產和檢驗，由專人進行檢測，同時每一生產過程有工序見證記錄資料，檢驗結果及時打印并出具報告，氣瓶敲打移植號，保證產品的可追溯性，確保產品質量始終處于可受控的檢驗狀態。

　　壓縮天然氣氣瓶作為壓力容器，猶如一個定時炸彈隨時可能引發，因此，保證對用戶放心的要求，對于產品的生產和檢驗，我們不容忽視，在生產中保證安全，才能在使用中讓用戶安全。

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　二、壓縮天然氣氣瓶的使用安全
　　 壓縮天然氣氣瓶的使用安全，這里面涉及的安全問題就著實太多了，主要為存儲介質、瓶體材料、瓶閥、使用環境、定期檢驗，人為因素等方面，下面就這些問題逐一進行說明。
　　1、存儲介質的安全問題
　　壓縮天然氣氣瓶的主要存儲介質為天然氣，天然氣的主要成份為甲烷CH4，無色無臭，常溫常壓下成氣態，比空氣輕，易燃易爆。沸點為-161.℃（1atm下），其可燃混合氣著火范圍較寬，熱值和自燃溫度較高，在封閉環境中擴散系統小，因此泄漏的天然氣易形成可燃混合氣，遇明火易爆炸燃燒。
　　未經處理的天然氣含少量的SO2、H2S，有臭味和毒性，另外還含有硫、水份，這些硫份和水份會對壓縮天然氣裝置造成腐蝕，引起各種閥門和管路連接處腐蝕并影響密封性，甚至使減壓器功能失效，燃料供給系統布置不合理等問題，最終導致內外泄漏，成為不安全的火災或爆炸氣源，所以壓縮天然氣汽車所用的燃料天然氣一定要進行充分的脫硫脫水，保證氣質達到要求。[1]
　　目前，大多數壓縮天然氣氣源中都含有硫化氫等酸性物質，特別是四川、重慶等氣源質量不佳的地方。硫化氫溶于水后，會造成鋼材的電化學腐蝕，產生氫鼓包現象。即使沒有水分，壓縮天然氣中的硫化氫在高壓力作用下，也會對氣瓶造成腐蝕破壞。在SY 0092-98《汽車用壓縮天然氣加氣站設計規范》中，對壓縮天然氣的硫化氫、水分等雜質含量都有嚴格限定，但如果壓縮天然氣生產工藝中脫硫、脫水裝置失效，或加氣站經營者對硫化氫、水分指標把關不嚴，就可能導致壓縮天然氣中硫化氫、水分含量超標。硫含量超標對于汽車用壓縮天然氣鋼瓶、鋼內膽車用壓縮天然氣纏繞氣瓶的破壞作用尤為嚴重。[2]
　　國際標準ISO11439：2000《車用天然氣高壓氣瓶》中4.5氣體成分對天然氣的要求有具體規定，我國標準GB17820-1999《天然氣》對天然氣的使用也有相應要求，因此充裝壓縮天然氣的氣瓶應充裝技術要求達標的天然氣，減少對氣瓶的腐蝕，延長氣瓶使用周期。
　　2、瓶體材料的安全問題
　　 壓縮天然氣氣瓶材料的選擇參照GB18248-2008《氣瓶中無縫鋼管》，氣瓶原材料主要選擇鉻鉬鋼無縫鋼管，采用調質熱處理。壓縮天然氣鋼質氣瓶的工作壓力較高，天然氣中又含有一定量的H2S 和水分，因而鋼瓶的氫腐蝕傾向較大。據有關資料，高強度鋼在高壓下，在干燥的H2S 氣體中有裂紋的擴展傾向。當鋼瓶硬度較高時(HBC 34) 即使氣體中H2S 濃度為0.1 mg/ L ，長時間(1 948 h)可發生斷裂。大量研究表明，材料屈服強度在900～1 000 MPa 以上，材料對氫腐蝕極為敏感，材料抗H2S 腐蝕能力隨材料強度升高而變壞。如果金屬表面存在缺口引起應力集中，容易誘發裂紋。鋼的屈服強度越高，其材料斷裂臨界應力強度因子越低，裂紋擴展速率隨鋼的強度增加而迅速增大，同時由于車用瓶存在較頻繁的振動，因而也是加快裂紋擴展的一個原因。另外，氣瓶表面質量也值得重視。由于氫對缺口極為敏感，哪怕非常細小的尖銳缺口也會導致應力集中，加速氫腐蝕進程，最終導致氣瓶爆炸。
　　對于鋼質氣瓶，要求鋼的純凈度好，韌性高，延伸性能好，鋼的表面質量好。如果選用的鋼斷裂韌性很高，臨界裂紋尺寸大于壁厚，使用中，即使發生裂紋擴展，裂紋穿透壁厚仍達不到臨界裂紋尺寸，只會發生泄漏而不會發生因裂紋達到臨界尺寸引起的爆炸，即“只漏不爆”。因此氣瓶制造廠不單對鋼廠提出用于鋼質氣瓶的鋼號和相應制造、驗收技術標準要求，而且還應對鋼中有害雜質元素(如
　　S、P、O) 含量、鋼的表面質量和力學性能指標提出嚴格控制要求。如將硫、磷含量限制在0. 01 %；提高鋼交貨時的δ5 和Akv 指標，將δ5 提高到不小于18 %;要求鋼表面不得有任何氣泡、裂紋、結疤、折疊、分層、夾雜；表面光潔,不得有任何麻點和凹坑，表面不得進行修補； 適當降低含碳量， 如選用30CrMo 等材料，將材料熱處理后的實際最大抗拉強度值控制在不大于880 MPa ,對于經調質處理的材料，屈服應力的最大保證值不得大于最小抗拉強度的85 %，屈服應力實測值和抗拉強度實測值之比不得大于92 %。[3]
　　3、瓶閥的安全問題
　　在車用壓縮天然氣氣瓶的定期檢驗中常常會發現氣瓶有泄漏現象。檢驗中發現，有相當一部分氣瓶存在瓶閥結構不夠合理、與瓶身連接處密封不好等現象。這樣的情況在車用壓縮天然氣全復合材料氣瓶中尤為普遍。帶有泄漏問題的車用壓縮天然氣氣瓶一旦進入實際運營中，屬于帶病工作，在一定的條件下必然會發生爆炸等事故。
　　4、使用環境的安全問題
　　(1) 化學品侵蝕
　　車用壓縮天然氣氣瓶在實際運行環境中，可能遭受酸雨等化學物質的侵蝕。這些物質會與氣瓶表面的材料發生化學反應，即會對有纏繞層的車用壓縮天然氣氣瓶造成纏繞層纖維的斷裂、溶解、松動或者產生應力腐蝕裂紋等，對于鋼瓶則直接造成壁厚減薄、產生凹坑等后果。
　　(2) 大氣侵蝕
　　車用壓縮天然氣纏繞氣瓶的纖維纏繞層如果長期暴露在陽光及大氣中，其外表面涂層的狀況會變化，可能導致纏繞纖維松動、斷裂，從而降低車用壓縮天然氣氣瓶的強度，影響其安全性能。
　　(3)外力作用
　　車用壓縮天然氣氣瓶在使用、搬運等過程中，由于操作不當或者汽車本身發生事故等影響，可能造成車用壓縮天然氣氣瓶受到沖擊、碰撞、磨損、過熱等損傷，導致車用壓縮天然氣鋼瓶表面受損，或造成車用壓縮天然氣纏繞氣瓶表面纖維層松動、斷裂、樹脂破碎等后果，會降低車用壓縮天然氣氣瓶的安全性能。
　　5、定期檢驗的安全問題
　　建立壓縮天然氣氣瓶檢查的完善體系，嚴格執行GB19533—2004《汽車用壓縮天然氣鋼瓶定期檢驗與評定》的規定。鋼瓶的首次檢驗和第二次檢驗為每三年進行一次，第二次檢驗后每兩年進行一次；對出租車用鋼瓶的檢驗每兩年進行一次，第二次檢驗的有效期為一年。如果氣瓶被重新安裝，且處在腐蝕環境，或被火燒過，則氣瓶必須經重新檢測后方可使用。
　　汽車用壓縮天然氣鋼瓶工作壓力為20MPa，一般安裝在出租車的尾部或公交車上，汽車在路上行駛，鋼瓶使用狀況復雜多變，且充裝的壓縮天然氣是有應力傾向的介質，使用一定時間后可能會使鋼瓶內外表面造成一定的損傷，因此必須對鋼瓶進行定期檢驗，以確保汽車安全運行。
　　6、人為因素的安全問題
　　（1）私自改裝燃氣設備
　　目前，隨著汽油、柴油價格的提高，燃氣與燃油的成本差異已經比較明顯，前者較低。因此，有些單位或者個人為汽車改裝了燃氣設備。有些改裝的車用壓縮天然氣 氣瓶甚至是幾年前使用的舊車用壓縮天然氣氣瓶。有些由不具備車用氣瓶安裝單位許可資質的改裝單位或個人改裝的車用壓縮天然氣氣瓶，甚至舊車用壓縮天然氣氣瓶、報廢車用壓縮天然氣氣瓶的重新使用，必然為車用壓縮天然氣氣瓶埋下安全隱患。
　　（2）加氣站安全措施不到位
　　加氣站是將管線輸送來的天然氣處理后，加入車用壓縮天然氣氣瓶的中介。目前，有些城市的加氣站仍存在員工安全管理制度落實不力、安全意識淡薄、操作規程掌握不規范等諸多問題。大多數加氣站周圍環境較復雜，受出入車輛火花、穿釘鞋摩擦所致火花、靜電火花等可能存在的火源威脅。車用壓縮天然氣氣瓶在這樣的加氣站充裝壓縮天然氣時，可能受到火災或爆炸事故的影響。
　　（3）充裝過度頻繁
　　在車用壓縮天然氣氣瓶的使用過程中，尤其是車用壓縮天然氣全復合材料氣瓶的使用過程中，疲勞破壞往往是最致命的。相關標準對車用壓縮天然氣氣瓶的使用壽命有所規定，但這些規定是建立在正常充裝基礎上。實際運營中，某些原因會造成車用壓縮天然氣氣瓶每日的充裝次數多于設計計算中設定的充裝次數，在這種情況下就有必要適當縮短其使用壽命，否則會給車用壓縮天然氣氣瓶的安全性帶來危害。
　　（4）氣瓶超壓工作
　　目前,有些地區天然氣加氣站的建設跟不上壓縮天然氣汽車的發展速度，為了加一次氣多跑一段里程，汽車在充裝天然氣時壓力大于20 MPa (規定不能超過20 MPa) ,這種情況必須嚴令禁止。在加氣站加氣設備中應設置自動限壓充氣裝置，確保不發生超壓充氣的現象。
　　（5）氣瓶安裝不正確
　　在車輛上安裝壓縮天然氣氣瓶時，應盡可能安裝在汽車上相對安全的區域，保證位置合適，與車體保持合理的間距，并且與車體間設置可靠固定的隔熱裝置，即安裝在載貨車、汽車發生撞擊時道路砂石沖擊產生危害最小的地方。將儲氣瓶安裝在艙內,均應在儲氣瓶外安裝安全隔離柵。
　　對于采用多個氣瓶串聯供氣的情況，每個氣瓶應配置一個高壓電磁截止閥，使各瓶的高壓燃氣先受截止閥控制，再串聯供氣。一旦發生意外，各瓶高壓氣會受到發動機點火電磁脈沖的控制而被分別關在瓶內，不會噴出燃燒。
　　（6）氣瓶支架穩定性差
　　氣瓶支架是天然氣儲氣固定的基礎部件，此部件有不少的人認為是一個簡單結構部件，無須小題大做。其實不然，目前正在營運的壓縮天然氣兩用燃料汽車因改裝廠不同且都是各自設計生產制造。就是同一車型的氣瓶支架其結構形式可謂五花八門，沒有一個定式，材料的選擇也各有不同，然而通過對氣瓶的的周期檢驗發現氣瓶支架的結構和選材方面存在著嚴重的事故隱患。具體問題如下：
　　①氣瓶支架用料薄材質差整體剛性太差，拉帶耳座同樣如此，有的已經發生形變，有的拉帶的寬度太窄，有的用料太薄，有的選材鋼號太低，緊固后拉帶產生形變后氣瓶無法固定，且發生多個方向位移，致使高壓管子扭曲變形，很有可能將管子扭斷，導致高壓天然氣的大量泄漏。
　　②拉帶上用的環首螺栓強度不足，產生變形，此外拉帶緊固螺栓設計的方向存在問題（由外向內穿的情況），或者使用螺栓長度太長致使氣瓶表面造成物理性損傷而報廢。
　　③拉帶長度不足采用焊接方式加長使用。
　　④氣瓶支架上使用橡膠墊帶與支承面粘接不牢固，使用一段時間后發生位移，甚至脫落，氣瓶松動與支架支承面摩擦，損傷氣瓶表面。
　　⑤氣瓶支架及其零部件外表面油漆涂裝質量較差，銹跡斑斑或者嚴重銹蝕無法再繼續使用。

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三、預防安全措施
　　通過以上各問題進行分析，對車用壓縮天然氣氣瓶的使用安全，應從以下幾個方面予以保證。
　　首先是提高車用壓縮天然氣氣瓶產品質量，壓縮天然氣鋼瓶屬于壓力容器，產品質量不符合要求的，嚴禁進行生產和銷售，在生產的每一環節嚴把質量關，做到產品質量零缺陷。
　　其次是提高壓縮天然氣產品的質量，特別是嚴格執行硫化氫、水分含量等控制指標，保障氣瓶使用安全。
　　三是瓶體材料的選擇，嚴格按照國標要進行進行選材，同時對原材料成份進行復驗，控制鋼材中的S、P含量，在氣瓶熱處理過程中，采用合理的熱處理工藝，在保證強度足夠的情況下盡可能降低屈強比，提高斷裂韌度，從而提高氣瓶安全性。[4]
　　四是瓶閥的選擇，氣瓶閥應有安全裝置，保證在氣管破裂或密封損壞時能截斷主供氣道，還應具有防止氣瓶壓力過高的的功能。[5]
　　五是氣瓶使用環境的改善。如果將車用壓縮天然氣氣瓶置于后備箱中，容易遭受機油、潮濕、化學品的侵蝕以及外力碰撞作用。這些侵蝕和外力作用會影響氣瓶的使用安全，因此，應合理分配車用壓縮天然氣氣瓶的安裝位置。如城市公交車，改用壓縮天然氣氣瓶一般置于車頂較安全，即使發生壓縮天然氣泄漏，也可以保證壓縮天然氣迅速擴散，可以減少事故發生。還有出租車使用天然氣氣瓶，出租車上的車用壓縮天然氣氣瓶一般置于后面的密閉空間中，一旦發生泄漏，容易造成壓縮天然氣聚積，引發爆炸，因而在安裝天然氣氣瓶時應充分考慮氣瓶使用環境，保障氣瓶使用安全。
　　六是氣瓶的定期檢驗，壓縮天然氣氣瓶應按照《氣瓶安全監察規程》規定以及GB19533-2004《汽車用壓縮天然氣鋼瓶定期檢驗與評定》要求，定期對車用壓縮天然氣氣瓶進行檢驗，檢驗不符合要求的氣瓶應報廢停止使用。
　　七是人為因素的控制。由于人為因素控制較多，在此簡單就相關要求進行說明，有不盡之處請賜教。
　　①任何單位和個人不能私自改裝車用壓縮天然氣氣瓶，必須到有改裝資質的單位進行安裝，把現成汽油車改裝成壓縮天然氣—汽油雙燃料汽車時，應按照QC/T245-1998《壓縮天然氣汽車專用裝置和安裝要求》正確安裝壓縮天然氣氣瓶。氣瓶應安裝在車上的的安裝位置，并且與車體間要有合理的間距和設置可靠的隔熱裝置。氣瓶不能直接安裝在駕駛室或載人車廂內，當只能安裝到駕駛室或載人車廂內時，必須有可靠的密封裝置，并設置能將泄漏氣體排出車外的通氣裝置，保證良好的的安全性。天然氣供氣系統裝車后，應采用天然氣或惰性氣體進行整體檢漏測試。測試合格后，方可交付使用。[6]
　　②加氣站必須有相應的安全措施，防止儲氣及加氣時事故產生。壓縮天然氣汽車進入加氣位置后，發動機必須熄火，駐車制動，關閉所有電器電源。充氣完畢后在加氣站工作人員指揮下，緩慢駛離，不得猛踩油門，以免意外事故發生。
　　③壓縮天然氣汽車充裝不宜頻繁，過度頻繁的充氣會造成對氣瓶的損害，同時減少氣瓶使用壽命周期，減低氣瓶使用的安全可靠性，因此，在實際充氣過程中，應周期性平穩進行充裝氣體，不宜充裝頻繁過度。
　　④嚴禁氣瓶超壓工作，由于壓縮天然氣氣瓶為壓力容器，氣瓶工作壓力必須與設計時壓力保證一致，氣瓶超壓工作會增大氣瓶的危險性。因此氣瓶實際工作中，不得超過額定工作壓力使用。
　　⑤氣瓶安裝位置應按照相關規定要求進行安裝，應配有專門的保護裝置，當密封不良而漏氣時，能將漏出的天然氣引至不易著火的部位。在某些潛在危險大的部位（如發動機罩內），加裝天然氣濃度傳感器，當天然氣濃度接近最低著火極限時予以報警。同時氣瓶的安裝不得影響汽車通過性，不得接近汽車車體外緣，避免因碰撞引起危險。
　　⑥氣瓶支架制作應牢固穩定，在固定氣瓶時應牢固可靠，不得有松動或間隙存在，氣瓶支架材料選擇應選擇安全強度較高的材料制作，支架表面也應做相應的除銹防腐處理，保證支架使用的安全和壽命。
　　⑦盡量減少車用壓縮天然氣氣瓶的拆裝率，以降低由于頻繁拆裝氣瓶帶來的瓶閥螺紋損傷、氣路密封性能損壞等弊端，降低車用壓縮天然氣氣瓶泄漏的可能。保證車用壓縮天然氣氣瓶在使用過程中不會受到猛烈的撞擊、沖擊。若一旦發生這種情況，必須進行檢驗，判斷車用壓縮天然氣氣瓶是否能夠繼續使用。
　　⑧嚴格按要求對車用壓縮天然氣氣瓶進行充裝，確保車用壓縮天然氣氣瓶充裝前瓶內留有一定的余壓，避免充裝時空氣混入引發爆炸事故。氣瓶中進了空氣或新啟用的氣瓶，充裝前應用天然氣“沖洗”，即將天然氣充入氣瓶使瓶內壓力達到0.3 MPa～0.6MPa，然后放出天然氣使壓力減至0.2 MPa～0.3MPa，如此反復三次再充氣至氣瓶的額定工作壓力。
　　⑨行駛過程中一旦發生漏氣，應立即關閉所有電器電源，查出漏氣部位和原因，及時處理，如泄露嚴重，應關閉氣瓶閥門，待天然氣散發后再做處理，必要時放掉全部天然氣。
　　⑩平常加強對壓縮天然氣汽車的維護和保養，特別是要防止氣體管線和管件連接處的泄露。維護和使用時要防止產生靜電和電火花。
　　四、結束語
　　隨著經濟的不斷發展，石油資源的日益緊張，環境污染日益嚴重，壓縮天然氣汽車應用將會迅速發展，由于其潛在的危險性，我們對壓縮天然氣汽車使用及安全的重視和維護將顯得更加必要，這不僅是維護人身和財產安全，更重要的是對正確引導壓縮天然氣汽車的發展和推廣有著非常積極的作用。

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2012-9-12 17:45 上傳

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